楊健,張安山,龐博,張凱,鮑朱杰,李佳潼,王斐亮

（上海交通大學(xué) 上海市城市公共建筑與基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運維重點實驗室；船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

元宇宙（Metaverse）是以5G 通信、邊緣計算、數(shù)字孿生、人工智能（AI）、區(qū)塊鏈、拓展現(xiàn)實技術(shù)[1]為支撐，具有沉浸感、交互性、隨時隨地、低延遲特征[2]，融合現(xiàn)實世界的經(jīng)濟、社交、娛樂活動，允許多用戶參與創(chuàng)建的基于現(xiàn)實物理世界的虛擬環(huán)境。隨著網(wǎng)絡(luò)空間的爆炸式增長與擴展現(xiàn)實設(shè)備的快速發(fā)展，尤其是新冠疫情影響下的“生活線上化”趨勢，使得物理空間與虛擬空間的界限愈顯模糊。近期，隨著Facebook、微軟、索尼、騰訊及字節(jié)跳動等商業(yè)巨頭對元宇宙構(gòu)想的推廣，元宇宙概念在科技、游戲、教育、商業(yè)以及社交等領(lǐng)域巨大的發(fā)展?jié)摿ξ吮姸嚓P(guān)注。目前，雖然人們對元宇宙的爭論還在進行，但其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展必定會對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生一定影響。

另一方面，越來越多的信息和數(shù)字技術(shù)在建筑行業(yè)得到關(guān)注和應(yīng)用。大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、拓展現(xiàn)實、3D 掃描、機器人、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等技術(shù)為建筑行業(yè)的升級和發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐，隨之而產(chǎn)生的智能化建造技術(shù)也在業(yè)界取得了長足的進步[3]。元宇宙作為一種以多種信息技術(shù)為支撐的新型技術(shù)形式，其出現(xiàn)將為建筑產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展提供新的想象空間。筆者通過回顧元宇宙的發(fā)展歷程，并與建筑行業(yè)既有信息技術(shù)進行比較，分析元宇宙的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)特征；結(jié)合目前相關(guān)信息技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對元宇宙在建筑行業(yè)的潛在應(yīng)用進行展望。

1 元宇宙發(fā)展概述

1.1 元宇宙技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

“Metaverse”一詞首先出現(xiàn)在科幻小說《雪崩》中，其被描述為平行于現(xiàn)實世界、允許用戶通過數(shù)字形象進行互動的虛擬環(huán)境[4]。隨后，1999 年和2018 年上映的電影《黑客帝國》和《頭號玩家》分別描繪了由AI 控制的名為“Matrix”的虛擬世界和集會議場所、市場、游戲中心等于一體的“綠洲”世界，形成對元宇宙的可視化暢想[5]。除此之外，《Roblox》《我的世界》等眾多游戲都搭建了類似元宇宙的虛擬世界。圖1 展示了將上述有代表性的事件組成元宇宙發(fā)展的軸線圖。另外，各國大型科技企業(yè)也都開始在元宇宙相關(guān)領(lǐng)域進行布局，表1 展示了幾個例子。

表1 各國企業(yè)在元宇宙的相關(guān)布局Table 1 Layout of metaverse business of enterprises from various countries

圖1 元宇宙的發(fā)展軸線圖Fig.1 Development timeline diagram of metaverse

在技術(shù)層面，元宇宙技術(shù)可看作是既有信息技術(shù)的集成，包括區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、AI 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及運算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，其技術(shù)全景如圖2 所示[6]。其中，5G/6G 網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸能力，端-邊-云協(xié)同計算的強大數(shù)據(jù)處理能力都可以為元宇宙的海量數(shù)據(jù)傳輸和處理提供支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層和區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識機制、分布式存儲、智能合約等技術(shù)在元宇宙中都會有涉及。交互技術(shù)可以支持實現(xiàn)虛實交互，將人帶入虛擬世界同時，包括有VR、AR、MR、全息影像等。電子游戲技術(shù)中的游戲引擎、3D 建模、實時渲染技術(shù)可以為虛擬世界的真實圖像呈現(xiàn)提供技術(shù)支持。機器學(xué)習(xí)、計算機視覺、自然語言處理等人工智能技術(shù)可以提高元宇宙的數(shù)據(jù)分析能力。各項技術(shù)從拓撲搭建、系統(tǒng)管理、感知體驗、功能實現(xiàn)等方面為元宇宙提供技術(shù)支撐。Ng 等[7]將元宇宙的架構(gòu)劃分為物理層、虛擬層和交互層，物理層由支持元宇宙運算、通信和存儲功能的硬件組成；虛擬層提供了一個平行的生活世界，允許用戶的數(shù)字化身與其他對象進行交互，能夠捕捉并反映現(xiàn)實世界的實時數(shù)據(jù)；交互層則充當連接物理層和虛擬層的橋梁，使用戶在現(xiàn)實世界中上傳的輸入轉(zhuǎn)化為虛擬世界中的具體行動。

圖2 元宇宙技術(shù)全景圖[4]Fig.2 Overview plot of metaverse[4]

元宇宙的形成需要經(jīng)歷數(shù)字孿生、數(shù)字原生及虛實相生（即超現(xiàn)實）3 個不同層次的階段[8]。在數(shù)字孿生階段，真實的物理空間被數(shù)字化，虛擬空間是真實世界的直接映射，數(shù)字孿生模型可以反映真實世界的各類特性[9]；在基于數(shù)字孿生技術(shù)所創(chuàng)造的眾多關(guān)聯(lián)或獨立的數(shù)字化世界中，用戶創(chuàng)造原生內(nèi)容，形成數(shù)字原生，這些內(nèi)容可以依賴于數(shù)字化世界所映射的現(xiàn)實社會生態(tài)系統(tǒng)，也可以脫離于實際物理世界，完全來自數(shù)字化自定義生態(tài)體系；最終，物理空間與虛擬空間趨向統(tǒng)一，物理空間和虛擬世界可以交互和聯(lián)動，一個自足且可持續(xù)的虛擬世界可以形成，用戶可以在多個虛擬空間中實時體驗各類異構(gòu)活動[10]。

1.2 元宇宙相關(guān)文獻統(tǒng)計分析

為了更好地了解元宇宙的研究現(xiàn)狀，基于Web of Science（WOS）和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，分析過去20年元宇宙研究的發(fā)展趨勢。分別將搜索關(guān)鍵詞設(shè)置為“metaverse”和“元宇宙”，搜索了2002-01-01—2022-03-31 之間發(fā)表的文獻。

在WOS 數(shù)據(jù)庫共搜索得到516 篇文獻，從文獻所處于的不同專業(yè)可以看出，計算機科學(xué)、工程和電信是研究元宇宙最多的領(lǐng)域，教育、商業(yè)、藝術(shù)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究（如圖3 所示）。WOS 數(shù)據(jù)庫中的元宇宙相關(guān)文獻的數(shù)量統(tǒng)計如圖4 所示，可以看出元宇宙在2008 年以前的研究較少，在2008 年至2011 年間出現(xiàn)了一次小高峰，在2021 年的文獻數(shù)量迎來高速增長，2022 年第一季度的文獻量已達到2021 年全年的45%。

圖3 WOS 中不同領(lǐng)域的元宇宙相關(guān)文獻數(shù)量Fig.3 Number of publications of metaverse in different fields from WOS

圖4 WOS 中近20 年文獻數(shù)量整體趨勢Fig.4 Publication trend in the last 20 years from WOS

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫共搜索到1 436 篇文獻，主要涉及的領(lǐng)域有信息技術(shù)與郵政經(jīng)濟、計算機軟件、計算機應(yīng)用、金融、證券、投資、新聞與傳媒等（如圖5 所示）。中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的元宇宙相關(guān)文獻的數(shù)量統(tǒng)計如圖6 所示?？梢钥闯鲈?020 年之前，中國有關(guān)元宇宙的研究還很少，2021 年出現(xiàn)爆發(fā)式增長，2022 年第一季度發(fā)表的文獻數(shù)量已達2021 年中年的94%。從文獻數(shù)量的角度來看，從2021 年開始，中國對于元宇宙相關(guān)研究的熱情高漲，從研究行業(yè)來看，元宇宙的研究主要集中在經(jīng)濟和計算機領(lǐng)域。有關(guān)元宇宙在工程與行業(yè)應(yīng)用方面的研究還很少。

圖5 中國知網(wǎng)中元宇宙相關(guān)文獻發(fā)表數(shù)量排名前10 的行業(yè)及文獻數(shù)量Fig.5 Top 10 industries and literature published in CNKI

圖6 中國知網(wǎng)中近20 年元宇宙相關(guān)文獻數(shù)量整體趨勢Fig.6 Publication trend in the last 20 years in CNKI

1.3 元宇宙現(xiàn)有應(yīng)用分析

元宇宙的雛形其實早已應(yīng)用到生活之中。在教育領(lǐng)域，中國軟件“釘釘”在疫情期間支持了14 萬所學(xué)校、300 萬個班級、1.3 億學(xué)生的在線上課[11]，雖然這種線上教學(xué)模式還遠未達到元宇宙教學(xué)的效果，但可以看出虛擬教學(xué)模式的巨大潛力。通過元宇宙構(gòu)建虛擬圖書館[12]、云展廳[13]等已成為構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的新模式，同時它也為虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)的構(gòu)建、教學(xué)的游戲化和個性化提供了可能[14]。在游戲領(lǐng)域，2006 年出現(xiàn)的美國游戲Roblox[15]在場景里添加了大量的社交活動，滿足青少年的日常生活需求，玩家在游戲中通過勞動獲得的代幣能夠在現(xiàn)實世界兌換成現(xiàn)金，初步實現(xiàn)了元宇宙多用戶參與、虛實世界融合的概念。社交和游戲的結(jié)合，是元宇宙的一種應(yīng)用形式，也是未來的研究趨勢之一。在電商領(lǐng)域也出現(xiàn)了元宇宙雛形特征的應(yīng)用，2021 年4 月，3D 版天貓家裝城上線。商家可以在其中搭建屬于自己的3D 購物空間，消費者則可以在其中體驗“云逛街”。消費者進入各個虛擬商城或者電商平臺，運用自己的虛擬形象，在虛擬世界中享有現(xiàn)實生活的購物體驗，并直接進行消費購物。未來，在虛擬世界里建立自己的交易平臺或者虛擬商城，形成虛擬世界里的電商平臺，是另一個全新世界的巨大的交易空間[16]。由網(wǎng)易公司開發(fā)的平臺“瑤臺”[17]、百度公司開發(fā)的平臺“希壤”[18]等都力圖借助信息技術(shù)為人類打造一個跨越虛擬與現(xiàn)實的多人互動虛擬世界。除了面向用戶（To C）端的應(yīng)用，元宇宙雛形在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面向企業(yè)（To B）領(lǐng)域也開始顯現(xiàn)[19-21]。在工業(yè)領(lǐng)域，寶馬與Omniverse 共建虛擬工廠，在造車之前預(yù)先打造數(shù)字模型，使位于不同時區(qū)、不同地點的員工可以隨時訪問，共同規(guī)劃并優(yōu)化生產(chǎn)流程及工藝，生產(chǎn)效率提升約30%。通信公司愛立信借助Omniverse 平臺，對5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行模擬，在虛擬世界中探索獨特地理環(huán)境及其對無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。沃爾沃使用Omniverse 來測試各種現(xiàn)實世界無法測試（或高測試成本）的項目，大幅縮短測試時間。通過元宇宙技術(shù)和理念，可以將娛樂、教育、社交、科研等所有傳統(tǒng)的線下社交模式在網(wǎng)上實現(xiàn)，線上交流因其高度靈活性、規(guī)模性及低成本也促進了元宇宙的發(fā)展[22]。

2 建筑業(yè)元宇宙的技術(shù)基礎(chǔ)

元宇宙作為數(shù)字技術(shù)的一種新型表現(xiàn)形式，同時需要建模與仿真技術(shù)、XR 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支撐。因此，它與傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)擁有類似的屬性，比如，依賴于虛擬模型構(gòu)建、需借助專門設(shè)備進入、對現(xiàn)實世界進行映射等。而相關(guān)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)已經(jīng)在建筑行業(yè)有所應(yīng)用，也為元宇宙在建筑業(yè)的應(yīng)用提供了可能性和技術(shù)支撐。為了更加清晰地認識元宇宙的技術(shù)特征，分析元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用趨勢，將元宇宙與其他具有類似特征的建筑信息技術(shù)進行了比較分析。

2.1 建模與仿真技術(shù)

針對復(fù)雜的模型，仿真往往會建立出物理和幾何特性與物理實體一致性較高的虛擬模型。并在模型當中施加作用，在虛擬空間模擬出物理實體的可能響應(yīng)。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，目前利用計算機對現(xiàn)實物理實體進行信息刻畫、模擬與儲存成為了工程中重要的技術(shù)手段[23]。

在建筑行業(yè)，建模與數(shù)字仿真技術(shù)的使用已經(jīng)十分普遍，比如基于有限元仿真的結(jié)構(gòu)性能分析[24]，基于計算流體動力學(xué)分析仿真的室內(nèi)外環(huán)境模擬[25]等。BIM 技術(shù)除了可以建立與實體一致的信息模型之外，也可以實現(xiàn)施工方案、進度、運維等方面的仿真。建模和仿真技術(shù)是實現(xiàn)元宇宙建筑虛擬模型建立的基礎(chǔ)技術(shù)，其在建筑業(yè)的普遍應(yīng)用為元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在元宇宙技術(shù)中虛擬模型的建立是一項十分基礎(chǔ)的工作，所以建模與仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用，為元宇宙技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

2.2 拓展現(xiàn)實技術(shù)

拓展現(xiàn)實（Extended Reality，XR）技術(shù)是指人通過借助計算機技術(shù)和可穿戴眼鏡、頭盔、屏幕等設(shè)備實現(xiàn)虛實結(jié)合、人機交互的沉浸感。目前，主要有增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）、增強虛境（Augmented Virtuality，AV）等形式，其功能表現(xiàn)形式如表2 所示。

表2 不同形式拓展現(xiàn)實技術(shù)的功能表現(xiàn)形式Table 2 Different forms of XR and their functionality

基于數(shù)字化建模技術(shù)構(gòu)建的模型，利用XR 技術(shù)將人帶入其中進行體驗，在建筑領(lǐng)域的研究已有很多。在建筑施工階段，利用XR 技術(shù)進行安全教育與檢查等方面有很好的應(yīng)用[27]。何江等[28]將VR引入到地鐵施工安全教育當中，使施工人員可以沉浸式地體驗常見的安全事故；韓豫等[29]將BIM 和VR 結(jié)合，設(shè)計了施工安全知識學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實現(xiàn)危險場景漫游體驗、安全額能力測評等功能。利用XR技術(shù)對既有建筑進行沉浸式展示的優(yōu)勢在運維階段也有很多應(yīng)用。萬飛等[30]將利用VR 將三維建模得到的歷史建筑模型進行還原，為歷史建筑的保護提供了新思路。王宇佳等[31]和張磊等[32]利用VR 進行建筑消防危險的逃生演練，Chen 等[33]提出利用AR 來實現(xiàn)對疏散路徑的引導(dǎo)。Alizadehsalehi 等[34]全面回顧了XR 技術(shù)在建筑、工程和建設(shè)（AEC）行業(yè)的應(yīng)用，介紹了由BIM 應(yīng)用于XR 的技術(shù)路線，并認為，XR 將給AEC 行業(yè)帶來新的機遇和工作流程。XR 技術(shù)可以給人帶來沉浸于虛擬世界中的體驗，可以為元宇宙的沉浸體驗提供重要的“入口”。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生最初由Grieve 在2003 年美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課程上提出[10]。數(shù)字孿生技術(shù)通過在虛擬世界構(gòu)建一個與物理實體相對應(yīng)的虛擬實體實現(xiàn)對現(xiàn)實物理實體的實時映射，并通過物理實體和虛擬實體的實時交互和迭代實現(xiàn)對現(xiàn)實物理實體的性能提升和優(yōu)化[35]。Grieves 最初提出數(shù)字孿生概念時，提出了數(shù)字孿生三維模型，包括實體、虛體和二者之間的連接[10]；為了推進數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，陶飛等[36]在三維模型的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生五維模型，包括物理實體、虛擬實體、孿生服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和各組成部分之間的連接，如圖7 和圖8 所示。

圖7 數(shù)字孿生三維概念模型[10]Fig.7 Three-dimension digital twin model[10]

圖8 數(shù)字孿生五維概念模型[36]Fig.8 Five-dimension digital twin model[36]

數(shù)字孿生最初被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[37]，現(xiàn)在越來越多地被應(yīng)用于電力[38]、采礦[39]、醫(yī)療[40]、車輛[41]等民用領(lǐng)域，而且其也越來越受到建筑行業(yè)的關(guān)注[42-43]。目前，雄安新區(qū)、上海等都明確提出要打造數(shù)字孿生城市以實現(xiàn)現(xiàn)代化的城市管理[44-45]。劉占省等[46]、Jiang 等[42]都在數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)上進行了建筑領(lǐng)域的研究。數(shù)字孿生也被認為是建筑業(yè)智能化發(fā)展的重要推動技術(shù)[47-48]。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在建筑施工和運維階段都有應(yīng)用研究。在施工階段，劉占省等[49]以輪輻式索桁架驗證了數(shù)字孿生在施工實時反饋與調(diào)控方面的價值。謝琳琳等[50]借助數(shù)字孿生實現(xiàn)物理施工系統(tǒng)和虛擬施工系統(tǒng)之間的交互，提高裝配式調(diào)度的自主性、預(yù)測性和智能性。謝先啟等[51]也認為數(shù)字孿生為智能建造提供了新思路和技術(shù)手段。在運維階段，劉占省等[52]提出利用物聯(lián)網(wǎng)和BIM 技術(shù)搭建面向運維安全管理的冬奧場館建筑的數(shù)字孿生模型，并提出基于實時孿生數(shù)據(jù)的動態(tài)疏散引導(dǎo)方案。張興旺等[12]認為數(shù)字孿生有助于圖書館的物理信息深度融合，并提出了數(shù)字孿生圖書館的技術(shù)框架，并將其運用到雄安圖書館的建設(shè)當中。Lu 等[53]通過構(gòu)建BIM和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合構(gòu)建既有建筑的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對建筑資產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)測、評估和智能化運維管理，并以離心泵為例，實現(xiàn)了故障的實時檢測。建筑數(shù)字孿生技術(shù)針對物理工程對象構(gòu)建了虛擬模型，同時建立了虛實之間的聯(lián)系。數(shù)字孿生技術(shù)的重點是在虛擬世界中建立與現(xiàn)實世界相對應(yīng)的虛擬實體，并借助對虛擬數(shù)字實體的分析實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的提升。從這一點看，它是元宇宙借助虛擬世界影響提升現(xiàn)實世界，賦能建筑行業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 既有信息技術(shù)對建筑業(yè)元宇宙的支撐

與前面提到技術(shù)相似的是，元宇宙也涉及現(xiàn)實與虛擬世界。為了更加清晰地說明元宇宙中虛擬世界和現(xiàn)實世界之間的關(guān)系，Smart 等[54]提出了元宇宙的劃分，如圖9 所示。該劃分選擇了兩個可能影響元宇宙展開方式的關(guān)鍵連續(xù)體：橫線軸線為從內(nèi)部（以身份為中心）到外部（以世界為中心）的技術(shù)和應(yīng)用范圍，縱向軸線為從增強到模擬的技術(shù)和應(yīng)用范圍。

圖9 元宇宙的劃分[54]Fig.9 The division of metaverse[54]

雖然元宇宙也涉及虛擬世界或者虛擬實體，但是其實現(xiàn)的虛實交互效果遠高于其他單一信息技術(shù)的實現(xiàn)水平。表3 總結(jié)了既有數(shù)字技術(shù)的功能特點和元宇宙技術(shù)的功能要求。其中，數(shù)字建模和仿真技術(shù)只構(gòu)建了虛擬實體，并不涉及與物理實體的連接與互動，并且虛擬實體只存在于數(shù)字世界當中。人主要在建模過程中扮演主要角色，但是在仿真過程中不需要人的干預(yù)，人主要處于輔助地位。XR 技術(shù)只構(gòu)建了虛擬實體，虛擬實體更多只存在于虛擬世界，并不存在與虛擬實體對應(yīng)的現(xiàn)實物理實體。雖然可以實現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界在同一畫面出現(xiàn)，且虛擬世界可以根據(jù)現(xiàn)實世界的畫面產(chǎn)生調(diào)整，但是虛擬世界并不能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界產(chǎn)生影響，所以其虛實之間的連接是單向的。XR 技術(shù)的應(yīng)用主要以人的體驗為中心，所以人的感受是XR技術(shù)的重點。

表3 元宇宙技術(shù)的目標要求與其他數(shù)字技術(shù)的功能特點Table 3 Functionality of metaverse and other existing digital technology

數(shù)字孿生構(gòu)建虛擬實體的目的是借助虛擬實體以控制和提升物理實體，其虛擬實體可以隨物理實體的狀態(tài)變化而變化，但是虛擬世界和現(xiàn)實世界相對獨立，并不能同時出現(xiàn)在同一畫面當中，人也無法沉浸于虛擬世界中。數(shù)字孿生的服務(wù)主要體現(xiàn)在對現(xiàn)實實體的控制上，人也處于整個系統(tǒng)的輔助地位。元宇宙并不單需要虛擬世界，而是需要虛擬世界與現(xiàn)實世界的交流互動。它是針對人類社會構(gòu)建一個平行于現(xiàn)實世界的虛擬世界，其主要服務(wù)對象是人。所以在元宇宙當中，人處于核心地位。

從上面的分析和比較可以看出，與數(shù)字孿生等技術(shù)只針對某些特定對象和功能不同，元宇宙的目標更加復(fù)雜和宏大，所以其需要更加強大的技術(shù)支持。而且數(shù)字建模與仿真、XR 技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)可以發(fā)揮其各自的技術(shù)優(yōu)勢支撐元宇宙的構(gòu)建。數(shù)字建模和仿真技術(shù)為元宇宙的虛擬實體建立和響應(yīng)分析提供支撐，例如，建筑業(yè)中形成BIM 模型，基于掃描等技術(shù)構(gòu)建的三維模型都可以為元宇宙提供模型構(gòu)建素材。XR 技術(shù)可以提高沉浸式的體驗和虛實疊加的展示效果，人們通過XR 技術(shù)進入元宇宙的空間中去，XR 為人沉浸式進入元宇宙提供支持。數(shù)字孿生的技術(shù)可以發(fā)揮其對現(xiàn)實世界的控制優(yōu)勢，可以為元宇宙達到虛擬世界與現(xiàn)實世界的交互提供技術(shù)支撐。它們在建筑行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的不斷成熟和融合應(yīng)用可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，為元宇宙在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了可能。

3 元宇宙在建筑領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

諸多技術(shù)發(fā)展的逐漸成熟支持了元宇宙概念的出現(xiàn)。同樣，隨著越來越多的信息技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，元宇宙在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景也漸漸清晰。一方面，元宇宙作為多種既有信息技術(shù)的集成，在建筑行業(yè)其他數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，元宇宙會以更先進的形態(tài)賦能現(xiàn)實建筑行業(yè)的發(fā)展。另一方面，元宇宙可以創(chuàng)造一個虛擬世界，在新的空間里創(chuàng)造新的需求，虛擬世界中的建筑行業(yè)也有興起的可能。

3.1 元宇宙賦能現(xiàn)實建筑行業(yè)

3.1.1 交互式設(shè)計模式

在設(shè)計階段，元宇宙可以提供一個在虛擬世界交流的空間，同時搭建虛擬設(shè)計方案模型，將各利益相關(guān)方集中在虛擬空間當中，面對未來的設(shè)計方案模型進行共同討論，突破溝通的空間限制[55]，同時降低溝通的專業(yè)門檻。在城市建設(shè)過程中，Kent等[56-57]通過建立虛擬現(xiàn)實平臺，并將該平臺帶入到設(shè)計階段，借助XR 技術(shù)實現(xiàn)對城市設(shè)計的可視化和分析，對設(shè)計進行推演和完善，讓市民可以參與城市的設(shè)計和規(guī)劃。這種基于虛擬世界使用戶參與的建筑設(shè)計與社群搭建方式已在圖書館[58]、校園[59]、居民活動中心[60]、地下工程[61]等一些現(xiàn)實案例中使用，且其被證實是建筑全生命周期良好運營的有效保障。

3.1.2 施工模擬技術(shù)

在施工階段，元宇宙可以提供現(xiàn)實世界當中難于提供的場景幫助人沉浸式體驗和交流。這一優(yōu)勢在施工模擬技術(shù)方面有較大潛力。

目前，利用虛擬模型對施工過程進行預(yù)演和模擬的研究也有很多。在施工管理方面，借助BIM 技術(shù)對工程對象進行了虛擬化施工模擬，實現(xiàn)了施工監(jiān)測可視化展示、施工進度和工藝模擬等功能的應(yīng)用有很多[62-63]。同時，XR 技術(shù)的應(yīng)用有助于實現(xiàn)沉浸式的體驗形式[27,64]，尤其在沉浸式施工安全教育方面，XR 技術(shù)的應(yīng)用廣泛[28]。目前，借助XR 技術(shù)實現(xiàn)的體驗一般只支持單人的體驗，但是在元宇宙中搭建的虛擬施工場景，可以實現(xiàn)多人協(xié)作。因此，元宇宙技術(shù)的出現(xiàn)除了可以在XR 技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造更加沉浸的體驗，還在實現(xiàn)多方合作、異地協(xié)同等功能方面有較大潛力。為了解決目前安全培訓(xùn)枯燥單調(diào)、重“演”輕“練”的問題，郭泱泱[65]對元宇宙技術(shù)在煤礦及礦山安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練方面應(yīng)用的可行性進行了研究，并認為雖然元宇宙在技術(shù)和設(shè)備上有很多不足，但它可以為提供新的培訓(xùn)和演練途徑。

對于復(fù)雜工程施工，元宇宙技術(shù)也可以發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。比如，某項目中設(shè)計師提出了動態(tài)可變圖案幕墻方案，幕墻圖案會根據(jù)觀察者位置和風(fēng)向光照變化而變化。該幕墻由大量顏色形式各異的鱗片通過特定排布構(gòu)成。要完成該幕墻的安裝實現(xiàn)，對于每一鱗片施工定位要求極高，需要結(jié)合不同的環(huán)境狀態(tài)和人員觀感進行反復(fù)的調(diào)整和優(yōu)化。項目采用元宇宙技術(shù)，在虛擬和實體幕墻龍骨組合空間中，模擬不同人員視角及光照和風(fēng)向狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整鱗片位置，確定每片鱗片最佳施工定位，從而幫助工人實現(xiàn)復(fù)雜幕墻結(jié)構(gòu)的快速和精準安裝。

3.1.3 虛擬空間功能拓展與運營維護

在運維階段，元宇宙可以拓展現(xiàn)實建筑物的功能活動空間。通過構(gòu)建與現(xiàn)實建筑一致的虛擬建筑，并開放給用戶在虛擬空間中活動，可以豐富既有建筑的體驗，為建筑的運營模式帶來新的拓展空間。

目前，圖書館的運營正在朝著此方向發(fā)展。為了豐富讀者的閱讀體驗，推進圖書館信息建設(shè)。楊新涯等[66]認為圖書館行業(yè)可以利用元宇宙構(gòu)建虛擬空間的服務(wù)體系，以解決實體空間緊張，知識服務(wù)和情報服務(wù)不足等問題，并提出了相關(guān)技術(shù)的探索方向。郭亞軍等[67]基于對美國TOP100 的圖書館VR/AR 的應(yīng)用情況的調(diào)查分析，提出了中國圖書館建設(shè)建議，其中借助虛擬仿真搭建元宇宙賦能虛擬圖書館建設(shè)是重要的內(nèi)容。陳定權(quán)等[68]通過分析和討論，并認為元宇宙技術(shù)對于解決目前圖書館存在的“資源沉睡”“模式單一”等問題具有啟發(fā)意義。

再如，在歷史建筑的運營管理方面，也有這樣的趨勢。目前，主流的文化遺產(chǎn)虛擬模型往往被簡化為特定場景下的2D 視圖，使得構(gòu)筑物或文物的大量交互與三維信息丟失。這些虛擬遺產(chǎn)缺乏生機與背景，缺乏有效反饋機制與導(dǎo)航，缺乏人物、天氣、時間等動態(tài)元素，瀏覽仍屬于被動觀察者模式的有限探尋[69]。然而，VR 技術(shù)已在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于多項文化遺產(chǎn)與文物的展示宣傳（如圖10 所示），在希臘Simonos Petra 修道院[70]與埃及法老陵墓[71]的XR 空間體驗項目中，建筑內(nèi)部空間的靜態(tài)數(shù)字孿生模型和人類在物理及虛擬空間中的行走動態(tài)數(shù)據(jù)共同組成了交互式沉浸體驗（如圖11 所示）。元宇宙技術(shù)支持的多人同時沉浸的社交模式可以使虛擬的歷史建筑空間成為多人互動的虛擬交流空間，將會使歷史建筑的運營產(chǎn)生更好效果。

圖10 故宮VR 模型（來源：故宮博物院官網(wǎng)）Fig.10 VR model of Forbidden City (Source: Website of the Palace Museum)

圖11 XR 中靜動態(tài)3D 數(shù)據(jù)融合[70]Fig.11 Combination of static and dynamic 3D data in XR[70]

3.1.4 基于虛擬空間的建筑業(yè)交易

在文獻[72]展示的案例中，構(gòu)建了一個虛擬房產(chǎn)平臺，其去中心化框架支持用戶通過代幣購買虛擬房產(chǎn)與土地并通過開發(fā)、租賃、拍賣等交易手段獲取利潤。虛擬世界的用戶也擁有現(xiàn)實世界資產(chǎn)，元宇宙為虛擬經(jīng)濟和現(xiàn)實經(jīng)濟的相互交織提供了可能，AI 和區(qū)塊鏈技術(shù)正在加速這種關(guān)系的發(fā)展[22]。此外，在元宇宙中與現(xiàn)實世界高度相似的虛擬世界亦可以作為一個城市規(guī)劃與房產(chǎn)開發(fā)市場的評估沙箱，在現(xiàn)實世界中的經(jīng)濟政策實施之前對其進行測試，從而指導(dǎo)城市規(guī)劃與相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局。

3.2 元宇宙催生的虛擬建筑業(yè)態(tài)

隨著元宇宙概念的提出，人的活動空間得到了拓展，為虛擬空間中的活動搭建虛擬建筑或?qū)⒊蔀榻ㄖ袠I(yè)的一項新任務(wù)。目前來看，虛擬活動空間中的建筑主要包含有與現(xiàn)實建筑映射對應(yīng)的虛擬建筑和僅存在于虛擬空間中的完全虛擬建筑。

構(gòu)建虛擬活動空間中與現(xiàn)實世界相對應(yīng)的虛擬建筑是搭建元宇宙的重要工作之一。隨著數(shù)字孿生概念的興起，越來越多的研究開始關(guān)注于對既有建筑進行逆向建模，為了快速獲取現(xiàn)實世界中的三維數(shù)據(jù)，便于快速精準建模，激光掃描、傾斜攝影等方法也被應(yīng)用于建筑行業(yè)中[73-74]。這些研究和實踐無疑可以為在元宇宙當中搭建數(shù)與現(xiàn)實世界對應(yīng)的虛擬建筑的基礎(chǔ)工作?；诖耍挝木暗萚75]提出利用深度學(xué)習(xí)處理既有建筑的3D 點云模型，實現(xiàn)自動化的BIM 模型建立的方法。Lee 等[76]進行了基于聚類的平面分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和3D 點云進行了城市場景建模。魯力立等[13]在線上還原了現(xiàn)實世界中的展廳，以實現(xiàn)基于元宇宙視角下的線上與線下混合式教學(xué)模式，打破“虛擬”與“現(xiàn)實”之間的壁壘。

另一方面，在虛擬世界建立完全虛擬的建筑也是元宇宙中的一項重要工作。為了提高虛擬建筑的真實體驗感，建筑設(shè)計的合理性是重要的研究內(nèi)容。Hassouneh 等[77]通過研究調(diào)查第二人生（second life）中不同虛擬商店的氛圍，提出虛擬商店的分類和構(gòu)成虛擬商店的氣氛組成要素，為未來元宇宙零售的研究提供指導(dǎo)框架。Ayiter[78]在元宇宙中重新創(chuàng)造了建筑師El Lissitzkv 設(shè)計的名為“Proun #5A”的建筑，并提出通過想象或者非物質(zhì)的棲息地設(shè)計來探索新的空間。

另外，除了依賴于人的設(shè)計，元宇宙中虛擬空間的批量化創(chuàng)造與處理更多地依賴于深度學(xué)習(xí)與元學(xué)習(xí)的發(fā)展與應(yīng)用。在通用自主深度學(xué)習(xí)數(shù)字孿生框架下，元宇宙及物理世界中的歷史數(shù)據(jù)在訓(xùn)練階段被融合以供深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和測試，并在結(jié)果滿足要求條件下自主獲取知識。同時，元宇宙及物理世界中的實時數(shù)據(jù)在實現(xiàn)階段被融合用于模型的實時推斷。目前，深度學(xué)習(xí)在自動化建筑設(shè)計領(lǐng)域已取得了一定突破[79-81]，虛擬世界中基于大數(shù)據(jù)與用戶群個性化需求的居住空間智能設(shè)計已成可能?？偠灾谠钪嬷?，數(shù)字內(nèi)容的創(chuàng)造將讓位于用戶群體并進一步延伸至智能算法協(xié)作領(lǐng)域，而不是少數(shù)的專業(yè)設(shè)計師[82]，即實現(xiàn)人類用戶和AI在元宇宙中的共建。

除此之外，虛擬世界當中的活動空間也會同現(xiàn)實世界當中的地產(chǎn)一樣，有被當作一種數(shù)字資產(chǎn)的形式進行交易的可能[83]，形成元宇宙中的“房地產(chǎn)”產(chǎn)業(yè)。

4 元宇宙帶來的潛在問題和挑戰(zhàn)

作為一種新的技術(shù)形式，元宇宙也可能帶來一些潛在的問題和新的挑戰(zhàn)。由于其在虛擬世界中的深度沉浸式及超越物理規(guī)律限制的體驗感，可能導(dǎo)致人的過度沉迷和超越約束，甚至對人的精神健康和社會正常交往造成危害。另外，元宇宙使虛擬化空間體驗極大豐富，也會在建筑業(yè)中催生新的虛擬產(chǎn)業(yè)模式，但在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)注意避免“脫實向虛”的發(fā)展[68]。虛擬空間的“房地產(chǎn)”炒作也可能帶來新的金融泡沫風(fēng)險[84]。未來，在元宇宙構(gòu)建的虛擬世界中，人和人、人和機、人和物之間會形成新的關(guān)系模式，例如虛擬婚姻、虛假身份信息等都會為道德法律及倫理帶來新的挑戰(zhàn)[85]。

在技術(shù)上，目前的技術(shù)還難以完全支持理想中的元宇宙世界。在建筑行業(yè)中，逆向和自動化建模技術(shù)還有待成熟，實現(xiàn)現(xiàn)實世界中建筑物的實時虛擬化復(fù)刻還需要付出大量努力以及實質(zhì)性技術(shù)提升。另外，XR 設(shè)備還不夠便攜，使用不便，長時間的沉浸體驗也會引起身體上的不適。虛擬世界的穩(wěn)定性也對元宇宙的每一種支持技術(shù)提出了更高的要求。因此，雖然目前的信息技術(shù)有向元宇宙延展的趨勢，但是理想元宇宙在建筑業(yè)中的實現(xiàn)還面臨著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，還有很長的路要走。

5 結(jié)論與展望

元宇宙概念在2021 年迎來一次爆發(fā)期，元宇宙與多種產(chǎn)業(yè)形態(tài)聯(lián)系起來，不同行業(yè)基于各自角度對元宇宙的呈現(xiàn)方式提出了各自的解讀。但是，由于諸多底層技術(shù)缺乏成熟研究基礎(chǔ)，距離元宇宙的成熟應(yīng)用還有很大的探索空間。

1）元宇宙的出現(xiàn)，會同其他信息技術(shù)一樣，賦能建筑行業(yè)，為建筑行業(yè)帶來生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變和全新的發(fā)展機會。另一方面，與其他技術(shù)不同的是，元宇宙搭建的虛擬空間還有催生出與現(xiàn)實建筑業(yè)相對應(yīng)的新產(chǎn)業(yè)潛力。

2）從技術(shù)上看，元宇宙在建筑業(yè)的發(fā)展依賴于建模與仿真、XR、數(shù)字孿生等信息技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展應(yīng)用，同時也集成和發(fā)展了其他數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。目前這些信息技術(shù)在建筑業(yè)內(nèi)的出現(xiàn)和應(yīng)用常常以單體形式呈現(xiàn)。元宇宙的出現(xiàn)為未來各種技術(shù)在建筑業(yè)內(nèi)的融合發(fā)展應(yīng)用提供了方向，以支撐和推動建筑業(yè)元宇宙技術(shù)實現(xiàn)為趨勢，形成一個更交互、更耦合、更整體的系統(tǒng)。

3）從建筑行業(yè)的應(yīng)用上看，元宇宙會以更加先進的技術(shù)形態(tài)賦能建筑業(yè)，在建筑業(yè)的設(shè)計、建造、運維和地產(chǎn)交易等多方面都有應(yīng)用潛力。同時，它也可以催生如虛擬建筑構(gòu)建、虛擬地產(chǎn)交易等新的建筑業(yè)形態(tài)，創(chuàng)造新的需求。

4）元宇宙作為一種新技術(shù)，為建筑業(yè)帶來發(fā)展機遇的同時，也存在如由虛擬地產(chǎn)帶來的金融風(fēng)險、過度沉迷帶來的健康問題，以及“脫實向虛”的不良趨勢等多方面的隱患和問題，其發(fā)展帶來的風(fēng)險同樣需要人們的關(guān)注，有必要正確引導(dǎo)這一新技術(shù)的發(fā)展。

致謝：感謝西南交通大學(xué)潘毅教授提出的寶貴建議，感謝中節(jié)能（湖州）科技城投資建設(shè)發(fā)展有限公司的資助。